La découverte dans les années 1970 de cheminées hydrothermales, où les volcans au fond de la mer produisent un fluide chaud dépassant 350 degrés Celsius, ou 662 degrés Fahrenheit, fondamentalement changé la compréhension de la Terre et de la vie. Encore, la vie sur et sous le fond marin est encore aujourd'hui un mystère.

Mieux comprendre ces zones volcaniques actives est important, car la chimie des évents du fond marin a un impact plus général sur la chimie des océans. En outre, l'environnement unique du fond marin soutient des processus biologiques et non biologiques qui offrent des indices sur la façon dont la vie sur Terre a commencé, comment il se maintient dans le temps et le potentiel de vie sur d'autres corps planétaires.

Selon la géochimiste Jill McDermott, professeur au Département des sciences de la Terre et de l'environnement de l'Université Lehigh, des études antérieures sur la chimie des fluides hydrothermaux ont révélé des réductions de certaines espèces de gaz, comme l'hydrogène moléculaire. On pensait que ces épuisements étaient causés par des communautés microbiologiques vivant dans les fonds marins peu profonds, collectivement appelée la biosphère sous-marine.

Cependant, les résultats d'une nouvelle étude menée par McDermott et ses collègues contredisent cette hypothèse. Les chercheurs ont analysé des échantillons de fluide hydrothermal étanche aux gaz provenant du champ de ventilation connu le plus profond au monde, le champ hydrothermal de Piccard à Mid-Cayman Rise, qui se trouve à une profondeur de 4970 mètres, ou environ 16, 000 pieds sous le niveau de la mer. Ils ont observé des déplacements chimiques dans leurs échantillons, y compris une grande perte d'hydrogène moléculaire, qui ne peut être que le résultat de processus abiotiques (non biologiques) et thermogéniques (rupture thermique), parce que les températures du fluide étaient au-delà des limites qui soutiennent la vie, compris comme étant de 122 degrés Celsius, ou environ 250 degrés Fahrenheit, ou plus bas.

Les résultats ont été publiés en ligne aujourd'hui dans un article « Réactions redox abiotiques dans les zones de mélange hydrothermal :diminution de la disponibilité énergétique pour la biosphère souterraine » dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Les autres auteurs incluent :Christopher German, Scientifique principal en géologie et géophysique et Jeffrey Seewald, Scientifique principal en chimie et géochimie marines et Sean Sylva, Associé de recherche III, en chimie et géochimie marines de la Woods Hole Oceanographic Institution; et Shuhei Ono, Professeur agrégé, Massachusetts Institute of Technology.

"Notre étude révèle que ces changements dans la chimie sont entraînés par des processus non biologiques qui éliminent l'énergie avant que les communautés microbiennes n'y accèdent, ", dit McDermott. "Cela pourrait avoir des implications critiques pour limiter la mesure dans laquelle les cycles géochimiques mondiaux peuvent soutenir une biosphère profonde, et pour le budget global de l'hydrogène."

Elle ajoute :« Cela signifie également que la biosphère souterraine reçoit probablement moins d'énergie que quiconque ne l'avait imaginé auparavant. "

Grâce à l'analyse chimique des gaz dissous, composés inorganiques, et composés organiques, l'équipe a découvert que les échantillons de fluide à basse température provenaient du mélange entre l'eau de mer et les fumeurs noirs de Beebe Vents à proximité, ainsi nommé parce que le fluide expulsé des évents ressemble à la fumée noire d'une cheminée. Dans ces échantillons de fluides mélangés, de nombreuses espèces chimiques sont soit élevées soit faibles en abondance, selon McDermott. L'échantillon avec les plus grands changements dans la quantité de gaz avait une température du fond marin de 149 degrés Celsius, ou 300 degrés Fahrenheit, une température trop élevée pour accueillir la vie. Ainsi, ils ont conclu, le processus responsable des changements géochimiques ne pourrait pas impliquer directement la vie.

Les réactions non biologiques qu'ils ont identifiées comme responsables de ces déplacements chimiques comprennent la réduction des sulfates et la dégradation thermique de la biomasse, et sont étayés par des considérations de bilan massique, mesures d'isotopes stables, et les calculs d'énergétique chimique.

Les échantillons ont été collectés lors de deux expéditions de recherche à l'aide de deux véhicules télécommandés, Jason II et Nérée, à la fois conçus pour l'exploration en eaux profondes et pour mener un large éventail d'enquêtes scientifiques dans les océans du monde.

« Ce fut un programme de terrain vraiment passionnant qui nous a fourni une rare opportunité d'explorer l'interaction complexe entre la chimie d'un environnement naturel et la vie qu'il soutient, " a déclaré Seewald. " Nous sommes maintenant dans une bien meilleure position pour estimer la quantité de vie microbienne qui peut exister sous le fond marin. "

Découvert en 2010, le champ hydrothermal de Piccard est situé juste au sud de Grand Cayman dans les Caraïbes. Les échantillons de fluide que les chercheurs ont examinés étaient ventilés entre 44 et 149 degrés Celsius (111 à 300 degrés Fahrenheit), fournissant une occasion rare pour l'équipe d'étudier la transition entre les environnements de support de vie et non supportant la vie.

"La chose cool (chaude) à propos de cette étude est que nous avons pu trouver un ensemble d'évents qui s'étendaient à partir de l'endroit où il faisait trop chaud pour la vie, là où c'était juste, " dit German. "Cet ensemble de circonstances particulièrement mignon a ouvert la possibilité d'acquérir de nouvelles connaissances sur ce que la vie pourrait (et pourrait ne pas) faire, sous le fond marin."

Les changements dans la température du fluide hydrothermal et la composition chimique sont connus pour servir de contrôle important sur la structure et la fonction de la communauté microbienne dans la croûte océanique dans tous les océans du monde.

"Cette relation existe parce que les fluides hydrothermaux fournissent de l'énergie pour des réactions métaboliques microbiennes spécifiques, " dit McDermott. " Cependant, la question inverse de savoir si la chimie du fluide de ventilation est modifiée par la vie elle-même, ou plutôt par des processus non vivants, est une question importante qui est rarement abordée."

La découverte de l'équipe peut servir à ouvrir une nouvelle voie d'exploration pour évaluer si les processus non biologiques servent de contrôles importants sur la disponibilité de l'énergie, en plus des processus microbiens.